柳枝插土成树,叶片落地生根。植物强大的再生能力令人惊叹。它们的再生“魔法”是怎么炼成的?
9月16日,山东农业大学、荷兰拉德堡德大学、基因组多维解析技术全国重点实验室、北京华大生命科学研究院组成的国际科研团队,首次成功解析了植物单个体细胞如何“返老还童”,重获胚胎发育全能性的完整过程。研究人员发现,只需激活两个关键基因,就能让已经分化的体细胞“逆天改命”,直接发育成完整的植株。相关研究发表于国际顶级学术期刊《细胞》(Cell)。
图源:《细胞》官网截图
研究人员形象地将已分化体细胞“逆天改命”的过程比喻为“细胞的身份重编程”。他们发现,转录因子LEC2和SPCH就像一对“基因开关”,一旦被同时按下,就能激活生长素合成通路,将一个原本注定发育成气孔的普通体细胞“改造”成能够发育成胚胎的全能干细胞。而更令研究人员兴奋的是,这一过程完全绕过了传统的愈伤组织阶段,实现了从单个细胞到完整植株的“一步到位”,是真正意义上的“直接再生”。
LEC2诱导的体细胞胚起源于单个子叶表皮细胞。图源:《细胞》官网
为了看清细胞“返老还童”的全过程,研究团队进行了一次大规模的“细胞普查”。他们依托华大自主研发的单细胞组学技术DNBelab C4,对超过7万个拟南芥细胞核进行高通量测序,最终绘制出一幅详细的细胞“重生”路线图,即细胞在“重生”过程中的精确基因表达图谱。
在这张图谱中,研究人员首次发现了一个关键的“GMC-生长素中间状态”。它不仅富含生长素,还发生了深度的染色质重塑,大量沉睡的基因被逐步唤醒。正是在这里,细胞的命运轨迹产生了分岔,为全能性的建立打开了大门。
单细胞组学揭示LEC2诱导的细胞命运转变与向体细胞胚胎发生的谱系重编程。图源:《细胞》官网
据悉,该研究不仅揭示了植物再生背后的细胞和分子机制,更为作物遗传改良、再生农业提供了全新的理论支持和技术路径。科研人员表示,未来我们或许可以通过调控关键基因,实现作物优良品种的“快速克隆”,缩短育种周期。
编辑 周梦璇 审读 张蕾 二审 张玉洁 三审 彭健